CN103667844B

CN103667844B - 一种低载荷高速冲压精密模具用硬质合金及其制备方法

Info

Publication number: CN103667844B
Application number: CN201310752325.0A
Authority: CN
Inventors: 余怀民; 涂俊平; 刘艾平
Original assignee: Zhuzhou Cemented Carbide Group Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou Cemented Carbide Group Co Ltd
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103667844A

Abstract

本发明涉及一种低载荷高速冲压精密模具用硬质合金，由按质量百分比计的下列组分制备而成：62.09%～63.49%的细晶粒WC、26.61%～27.21%的粗晶粒WC、5.21%～7.10%的Co粉、2.47%～3.87%的Ni粉和0.8%～1.3%的Cr₃C₂；所述细晶粒WC粒度为0.9μm～1.5μm；粗晶粒WC粒度为1.9μm～2.8μm。本发明的硬质合金具有较高的硬度、较高的抗弯强度、较好的断裂韧性、优良的抗化学腐蚀性能，适用于精密磨削、WEDM放电加工制作高端精密冲压模具零部件，可用于低载荷高速冲压的高端精密冲压模具。

Description

一种低载荷高速冲压精密模具用硬质合金及其制备方法

技术领域

本发明属于硬质合金领域，涉及一种低载荷高速冲压精密模具用硬质合金及其制备方法。

背景技术

精密模具用硬质合金是大型精密级进模具、粉末成型模具、各类复杂冲压模具的凸模、凹模和其它易损件必需关键材料，一般采用WC-Co硬质合金，客户根据所需形状尺寸通过精密磨削、WEDM放电加工方式获得各类复杂形状零部件，镶嵌在模具的关键部位而制作成模具，从而满足精密冲压模具抗腐蚀、高硬度、高断裂韧性的要求。

近年国外硬质合金同行在该领域已经率先开发出适用于EDM放电加工和精密磨削的硬质合金抗腐蚀新材质,例如：森拉天时（Ceratizit）公司的GF-H25S牌号，美国肯纳金属（Kennametal）公司的KR系列牌号KR887、KR855,这些牌号与同类型常规牌号比具有优良的电加工、磨削加工性能，并具有硬度和断裂韧性指标双高特性。我国的精密模具制作企业与国外先进同行相比，起步晚、核心技术多为引进，正因为此我国硬质合金企业对精密模具用硬质合金材料的研究所获得的市场信息较为缺失以及不完善，使此方面的研究起步较晚。目前该领域硬质合金制备方法主要采用匀致细晶粒或超细晶粒WC、10%～15%的Co粉加入微量的Cr、V等元素制备球磨混合，随后烧结获得硬质合金块体；或者在WC和Co的混合粉末中添加板状晶的W粉，以在烧结后的合金中获得WC-Co硬质合金。匀致超细晶粒或细晶粒的硬质合金在具有较高的硬度指标时，较难兼顾较高的抗弯强度以及断裂韧性指标，在制造低载荷高速冲压用的精密模具零部件时容易出现微崩现象，直接影响被冲压件质量。另采用目前已有技术制备的双晶结构或中、粗晶硬质合金，虽使硬质合金零部件具有了较高的断裂韧性指标，但零件耐磨性差，且零部件表面及拐角处存在较厚的WEDM加工变质层。

发明内容

本发明的目的是提供一种硬质合金及其制备方法，生产的硬质合金结构均匀，具有高硬度、高的断裂韧性和耐腐蚀性，可应用于低载荷高速冲压精密模具。

本发明提供的低载荷高速冲压精密模具用硬质合金，由按质量百分比计的下列组分制备而成：62.09%～63.49%的细晶粒WC、26.61%～27.21%的粗晶粒WC、5.21%～7.10%的Co粉、2.47%～3.87%的Ni粉和0.8%～1.3%的Cr₃C₂；所述细晶粒WC粒度为0.9μm～1.5μm；粗晶粒WC粒度为1.9μm～2.8μm。

作为改进，粘结相中Co和Ni的质量比为1.5～2.5:1。当Co和Ni的质量比大于2.5:1的时候，合金的抗腐蚀性能将有所下降；当Co和Ni的质量比小于1.5:1的时候，合金的硬度、抗弯强度、断裂韧性指标将有所下降。

上述低载荷高速冲压精密模具用硬质合金的制备方法，依次包括以下步骤：

（1）将细晶粒WC与Co粉、Ni粉和Cr₃C₂球磨，加入粗晶粒WC后再次球磨，制粒并成型；

（2）将成型后的毛坯进行烧结，烧结温度为1440℃～1480℃；

（3）将烧结后的毛坯在真空或氢气气氛下回火处理，回火温度为450℃～550℃。

作为改进，步骤（1）第一次球磨之前补入炭黑或W粉，按式：合金总碳修正量（%）=原料实际总碳含量（%）－合金理论总碳含量（%）－合金总碳量平衡修正值，合金总碳量平衡修正值为0.03%～0.07%；若合金总碳修正量为负数，则补入与合金总碳修正量等量的炭黑；若合金总碳修正量为正数，则补入合金总碳修正量÷0.0653（WC中C和W的原子质量比值）的W粉。硬质合金中碳含量的控制是制备优质硬质合金的关键指标，当合金总碳量平衡修正值超过0.03%～0.07%的范围，制备的硬质合金将可能出现渗碳、脱碳等缺陷，直接影响硬质合金的物理性能和微观组织结构。

作为改进，步骤（1）第一次球磨25h～40h，第二次球磨20h～30h，第二次球磨后喷雾干燥制粒并等静压成型。

作为改进，步骤（2）的烧结时，550℃以前烧结时间为20h～70h，550℃至最终温度的烧结时间为2h～20h。当烧结时长低于规定时长时，模具板材产品烧结过程中会出现炸裂、裂纹以及合金内部组织疏松、渗碳；烧结时长太长会引起模具板材产品微观结构异常夹粗和脱碳现象。

作为改进，步骤（2）烧结炉内压力3MPa～10MPa；烧结完成后在温度降至900℃～1250℃时充入氩气快速循环冷却至100℃以下出炉。

作为改进，步骤（3）回火处理8h～30h小时。

本发明通过对两种类型的WC费氏粒度范围的确定和控制两种WC的混合比例，并通过加入各组元的顺序和两次球磨时间的控制，确定合适的粘接金属Co、Ni比例以及添加量、Cr₃C₂的添加量、控制合金总碳量平衡修正值范围得到一种微观结构良好，物理性能可控在一定范围的具有较好的断裂韧性指标、硬度和抗弯强度指标及抗电加工腐蚀的一种硬质合金材质。

本发明硬质合金的制备方法，通过采用液压预成型结合CIP等静压制最终成型，可得到压制密度均匀的无缺陷模具板材压坯，再通过烧结和后续处理工艺结合得到内部组织均匀一致的硬质合金毛坯。

本发明合金硬质相由粗晶粒WC、细晶粒WC组成，粘结相由Co+Ni、Cr₃C₂组成，粘接金属Co+Ni含量8.5%～10%的硬质合金与同等粘结金属含量的硬质合金相比，具有较高的硬度、较高的抗弯强度、较好的断裂韧性、优良的抗化学腐蚀性能，适用于精密磨削、WEDM放电加工制作高端精密冲压模具零部件。采用本发明制造的硬质合金镶嵌式精密模具适用于低载荷高速冲压的高端精密冲压模具，如电子类引线框模具、各类排线精密冲压模具等，与目前通用硬质合金比具有高使用寿命、高生产效率、被加工零件尺寸精度高等优点，使用寿命高于通用硬质合金。

附图说明

图1是本发明实施例1硬质合金1600倍典型的扫描电镜照片。

图2是本发明实施例1硬质合金3000倍典型的扫描电镜照片。

图3是10%Co、0.5%Cr₃C₂、余量WC、WC平均晶粒度0.8μm的合金1600倍典型的扫描电镜照片。

图4是10%Co、0.5%Cr₃C₂、余量WC、WC平均晶粒度0.8μm的合金3000倍典型的扫描电镜照片。

图5是10%Co、余量WC、WC平均晶粒度1.0μm的合金1600倍典型的扫描电镜照片。

图6是10%Co、余量WC、WC平均晶粒度1.0μm的合金3000倍典型的扫描电镜照片。

图7是本发明实施例1硬质合金HV10压头下的断裂韧性检测的压痕扫描电镜照片。

图8是10%Co、0.5%Cr₃C₂、余量WC、WC平均晶粒度0.8μm的合金HV10压头下的断裂韧性检测的压痕扫描电镜照片。

图9是本发明实施例1硬质合金（a）与相同粘接金属Co含量的细晶粒硬质合金(b)、相同粘接金属Co含量的超细晶粒硬质合金（c）在去离子水浸泡72小时后的腐蚀情况对比。

图10是本发明实施例1硬质合金（a）和10%Co、0.5%Cr₃C₂、余量WC、WC平均晶粒度0.8μm的硬质合金（b）240目金刚石砂轮400倍下的磨削截面照片对比。

具体实施方式

实施例1：按下述步骤本发明的硬质合金：

（1）配备原料：以原料总重量计100%，取质量百分比为63.49%、费氏粒度为0.9μm的细晶粒WC，质量百分比为5.67%的Co粉，质量百分比为2.83%的Ni粉，质量百分比为0.8%的Cr₃C₂，质量百分比为27.21%、费氏粒度为1.9μm的粗晶粒WC；上述原料实际总碳含量为5.69%（细晶粒WC3.90%+Cr₃C₂0.11%+粗晶粒WC1.68%）；

（2）补入C/W：合金总碳量平衡修正值取0.03%，合金总碳修正量=原料实际总碳含量5.69%－本实施例合金理论总碳含量5.67%－合金总碳量平衡修正值0.03%=－0.01%，该数值为负数，补入占原料总重量0.01%的炭黑；

（3）将上述细晶粒WC、Co粉、Ni粉、Cr₃C₂和补入的炭黑置于球料比4:1（硬质合金球）的球磨机中球磨25小时，再加入上述的粗晶粒WC球磨20小时；采用喷雾干燥工艺制粒，用大吨位液压机预压成型而后用CIP等静压机压制成型；

（4）将上述成型后的厚度80mm板材毛坯进行烧结，烧结温度为1480℃，烧结工艺为550℃以前70小时，550℃至最终温度（1480℃）20小时，炉内压力10MPa；烧结完成后在温度降至900℃时充入氩气快速循环冷却至100℃以下出炉；

（5）将烧结后毛坯在真空或氢气气氛下回火处理30h小时，回火温度为550℃，获得硬质合金的各项性能如表3所示。

按实施例1的方法制备实施例2-10的硬质合金，其不同之处在于制备硬质合金的原料配比、工艺参数，详见表1和表2。

表1实施例2-10的原料配比

表2实施例2-10的工艺参数

由图1～图6可知本发明的硬质合金与相同粘接金属含量的超细晶粒硬质合金、细晶粒硬质合金微观组织比较，本发明WC晶粒在0.8～2.5μm之间均有分布，而图3～图4为WC平均晶粒度0.8μm的匀致合金，而图5～图6为WC平均晶粒度1.0μm的匀致合金，本发明的硬质合金材质在保证高硬度的同时，抗弯强度和断裂韧性指标明显优于相同粘接金属Co含量的超细晶粒硬质合金、细晶粒硬质合金，详见表3。

表3本发明的硬质合金和常规合金性能对比

由图7～图8和表4可知本发明在保证高硬度的同时断裂韧性明显优于相同粘接金属Co含量的超细晶粒硬质合金、细晶粒硬质合金，压痕法测定的裂纹长度明显比超细晶粒硬质合金短。

表4本发明的硬质合金和常规合金断裂韧性性能对比

由图9可知，本发明的硬质合金抗化学腐蚀性能明显优于相同粘接金属含量的超细晶粒硬质合金、细晶粒硬质合金，长时间浸泡未出现表明腐蚀。

由图10可知，本发明的磨削性能优于相同粘接金属含量的超细晶粒硬质合金，磨削切面没有出现崩块现象，本发明截面较相同粘接金属含量的超细晶粒硬质合金截面平整、光滑。

Claims

1.一种低载荷高速冲压精密模具用硬质合金的制备方法，该合金由按质量百分比计的下列组分制备而成：62.09%～63.49%的细晶粒WC、26.61%～27.21%的粗晶粒WC、5.21%～7.10%的Co粉、2.47%～3.87%的Ni粉和0.8%～1.3%的Cr₃C₂；所述细晶粒WC粒度为0.9μm～1.5μm；粗晶粒WC粒度为1.9μm～2.8μm；制备依次包括以下步骤：

（2）将成型后的毛坯进行烧结，550℃以前烧结时间为20h～70 h，550℃至最终温度的烧结时间为2 h～20 h，烧结最终温度为1440℃～1480℃；烧结完成后在温度降至900℃～1250℃时充入氩气快速循环冷却至100℃以下出炉；

（3）将烧结后的毛坯在真空或氢气气氛下回火处理，回火温度为450℃～550℃，回火处理8h～30h；

所述步骤（1）第一次球磨之前补入炭黑或W粉，按式：合金总碳修正量=原料实际总碳含量－合金理论总碳含量－合金总碳量平衡修正值，合金总碳量平衡修正值为0.03%～0.07%；若合金总碳修正量为负数，则补入与合金总碳修正量等量的炭黑；若合金总碳修正量为正数，则补入合金总碳修正量÷0.0653的W粉。

2.根据权利要求1所述的低载荷高速冲压精密模具用硬质合金的制备方法，其特征在于合金粘结相中Co和Ni的质量比为1.5～2.5:1。

3.根据权利要求1所述的低载荷高速冲压精密模具用硬质合金的制备方法，其特征在于步骤（1）第一次球磨25h～40h，第二次球磨20h～30h，第二次球磨后喷雾干燥制粒并等静压成型。

4.根据权利要求1所述的低载荷高速冲压精密模具用硬质合金的制备方法，其特征在于步骤（2）烧结炉内压力3MPa～10MPa。